Что такое температура кристаллизации

При каких температурах плавятся различные металлы и неметаллы?

что такое температура кристаллизации

Металлы обладают рядом оригинальных свойств, которые присущи только этим материалам. Существует температура плавления металлов, при которой кристаллическая решетка разрушается. Вещество сохраняет объем, но уже нельзя говорить о постоянстве формы.

В чистом виде отдельные металлы встречают крайне редко. На практике применяют сплавы. У них есть определенные отличия от чистых веществ. При образовании сложных соединений происходит объединение кристаллических решеток между собой. Поэтому у сплавов свойства могут заметно отличаться от составляющих элементов. Температура плавления уже не остается постоянной величиной, она зависит от концентрации входящих в сплав ингредиентов.

Понятие о шкале температур

Некоторые неметаллические предметы тоже обладают похожими свойствами. Самым распространённым является вода. Относительно свойств жидкости, занимающей господствующее положение на Земле, была разработана шкала температур. Реперными точками признаны температура изменения агрегатных состояний воды:

  1. Превращения из жидкости в твердое вещество и наоборот приняты за ноль градусов.
  2. Кипения (парообразования внутри жидкости) при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) принята за 100 ⁰С.

Внимание! Кроме шкалы Цельсия на практике измеряют температуру в градусах Фаренгейта и по абсолютной шкале Кельвина. Но при исследовании свойств металлических предметов другие шкалы используют довольно редко.

В идеальном виде принято считать, что металлам свойственна кубическая решетка (в реальном веществе могут быть изъяны). Между молекулами имеются равные расстояния по горизонтали и вертикали.

Твердое вещество характеризуется постоянством:

  • формы, предмет сохраняет линейные размеры в разных условиях;
  • объема, предмет не изменяет занимаемое количество вещества;
  • массы, количество вещества, выраженное в граммах (килограммах, тоннах);
  • плотности, в единице объема содержится постоянная масса.

При переходе в жидкое состояние, достигнув определенной температуры, кристаллические решетки разрушаются. Теперь нельзя говорить о постоянстве формы. Жидкость будет принимать ту форму, в какую ее зальют.

Когда происходит испарение, то постоянным остается только масса вещества. Газ займет весь объем, который будет ему предоставлен. Здесь нельзя утверждать, что плотность постоянная величина.

Когда соединяются жидкости, то возможны варианты:

  1. Жидкости полностью растворяются одна в другой, так себя ведут вода и спирт. Во всем объеме концентрация веществ будет одинаковой.
  2. Жидкости расслаиваются по плотности, соединение происходит только на границе раздела. Только временно можно получать механическую смесь. Перемешав разные по свойствам жидкости. Примером является масло и вода.

Металлы образуют сплавы в жидком состоянии. Чтобы получить сплав, каждый из компонентов должен быть в жидком состоянии. У сплавов возможны явления полного растворения одного в другом. Не исключаются варианты, когда сплав будет получен только в результате интенсивного перемешивания. Качество сплава в этом случае не гарантируется, поэтому стараются не смешивать компоненты, которые не позволяют получать стабильные сплавы.

Образующиеся растворимые друг в друге вещества при застывании образуют кристаллические решетки нового типа. Определяют:

  • Гелиоцентрированные кристаллические решетки, их еще называют объёмно-центрированными. В середине находится молекула одного вещества, а вокруг располагаются еще четыре молекулы другого. Принято называть подобные решетки рыхлыми, так как в них связь между молекулами металлов слабее.
  • Гранецентрированные кристаллические решетки образуют соединения, в которых молекулы компонента располагаются на гранях. Металловеды называют подобные кристаллические сплавы плотными. В реальности плотность сплава может быть выше, чем у каждого из входящих в состав компонентов (алхимики средних веков искали варианты сплавов, при которых плотность будет соответствовать плотности золота).

Температура плавления металлов

Разные вещества имеют различную температуру плавления. Принято делить металлы на:

  1. Легкоплавкие – их достаточно нагревать до 600 ⁰С, чтобы получать вещество в жидком виде.
  2. Среднеплавкие металлы расплавляются в диапазоне температур 6001600 ⁰С.
  3. Тугоплавкими называют металлы, которые могут расплавляться при температуре более 1600 ⁰С.

В таблице по возрастанию показаны легкоплавкие металлы. Здесь видно, что самым необычным металлом является ртуть (Hg). В обычных условиях она находится в жидком состоянии. Этот металл имеет самую низкую температуру плавления.

Таблица 1, температуры плавления и кипения легкоплавких металлов:

Таблица 2, температуры плавления и кипения среднеплавких металлов:

Таблица 3, температуры плавления и кипения тугоплавких металлов:

Чтобы вести процесс плавки используют разные устройства. Например, для выплавки чугуна применяют доменные печи. Для плавки цветных металлов производят внутренний нагрев с помощью токов высокой частоты.

В изложницах, изготовленных из неметаллических материалов, находятся цветные металлы в твердом состоянии. Вокруг них создают переменное магнитное поле СВЧ. В результате кристаллические решетки начинают расшатываться. Молекулы вещества приходят в движение, что вызывает разогрев внутри всей массы.

При необходимости плавки небольшого количества легкоплавких металлов используют муфельные печи. В них температура поднимается до 10001200 ⁰С, что достаточно для плавки цветных металлов.

Черные металлы расплавляют в конвекторах, мартенах и индукционных печах. Процесс идет с добавлением легирующих компонентов, улучшающих качество металла.

Сложнее всего проводить работу с тугоплавкими металлами. Проблема в том, что нужно использовать материалы, имеющие температуру более высокую, чем температура плавления самого металла. В настоящее время авиационная промышленность рассматривает использование в качестве конструкционного материала Титан (Ti). При высокой скорости полета в атмосфере происходит разогрев обшивки. Поэтому нужна замена алюминию и его сплавам (AL).

Максимальная температура плавления этого довольного легкого металла привлекает конструкторов. Поэтому технологи разрабатывают технологические процессы и оборудование, чтобы производить детали из титана и его сплавов.

Чтобы проектировать изделия из сплавов, сначала изучают их свойства. Для изучения в небольших емкостях расплавляют изучаемые металлы в разном соотношении между собой. По итогам строят графики.

Нижняя ось представляет концентрацию компонента А с компонентом В. По вертикали рассматривают температуру. Здесь отмечают значения максимальной температуры, когда весь металл находится в расплавленном состоянии.

При охлаждении один из компонентов начинает образовывать кристаллы. В жидком состоянии находится эвтектика – идеальное соединение металлов в сплаве.

Металловеды выделяют особое соотношение компонентов, при котором температура плавления минимальная. Когда составляют сплавы, то стараются подбирать количество используемых веществ, чтобы получать именно эвтектоидный сплав. Его механические свойства наилучшие из возможных. Кристаллические решетки образуют идеальные гранецентрированные положения атомов.

Изучают процесс кристаллизации путем исследования твердения образцов при охлаждении. Строят специальные графики, где наблюдают, как изменяется скорость охлаждения. Для разных сплавов имеются готовые диаграммы. Отмечая точки начала и конца кристаллизации, определяют состав сплава.

Сплав Вуда

В 1860 г. американский зубной техник Барнабас Вуд искал оптимальные соотношения компонентов, чтобы изготавливать зубы для клиентов при минимальных температурах плавления. Им был найден сплав, который имеет температуру плавления всего 60,268,5 ⁰С. Даже в горячей воде металл легко расплавляется. В него входят:

  • олово — 12,512,7 %;
  • свинец — 24,525,0 %;
  • висмут — 49,550,3 %;
  • кадмий — 12,512,7 %.

Сплав интересен своей низкой температурой, но практического применения так и не нашел. Внимание! Кадмий и свинец – это тяжелые металлы, контакт с ними не рекомендован. У многих людей могут происходить отравления при контакте с кадмием.

На практике многие сталкиваются с плавлением при пайке деталей. Если поверхности соединяемых материалов очищены от загрязнений и окислов, то их нетрудно спаять припоями. Принято делить припои на твердые и мягкие. Мягкие получили наибольшее распространение:

  • ПОС-15 — 278282 °C;
  • ПОС-25 — 258262 °C;
  • ПОС-33 — 245249 °C;
  • ПОС-40 — 236241 °C;
  • ПОС-61 — 181185 °C;
  • ПОС-90 — 217222 °C.

Их выпускают для предприятий, изготавливающих разные радиотехнические приборы.

Твердые припои на основе цинка, меди, серебра и висмута имеют более высокую температуру плавления:

  • ПСр-10 — 825835 °С;
  • ПСр-12 — 780790 °С;
  • ПСр-25 — 760770 °С;
  • ПСр-45 — 715721 °С;
  • ПСр-65 — 738743 °С;
  • ПСр-70 — 778783 °С;
  • ПМЦ-36 — 823828 °С;
  • ПМЦ-42 — 830837 °С;
  • ПМЦ-51 — 867884 °С.

Использование твердых припоев позволяет получать прочные соединения.

Внимание! Ср означает, что в составе припоя использовано серебро. Такие сплавы обладают минимальным электрическим сопротивлением.

Температура плавления неметаллов

Неметаллические материалы могут быть представлены в твердом и жидком виде. Неорганические вещества представлены в табл. 4.

Таблица 4, температура плавления неорганических неметаллов:

На практике для пользователей наибольший интерес представляют органические материалы: полиэтилен, полипропилен, воск, парафин и другие. Температура плавления некоторых веществ показана в табл. 5.

Таблица 5, температура плавления полимерных материалов:

Внимание! Под температурой стеклования понимают состояние, когда материал становится хрупким.

температура плавления известных металлов.

Заключение

  1. Температура плавления зависит от природы самого вещества. Чаще всего – это постоянная величина.
  2. На практике используют не чистые металлы, а их сплавы. Обычно они имеют свойства гораздо лучше, чем чистый металл.

Источник: https://metmastanki.ru/temperatura-plavleniya-metallov-i-nemetallov-tablitsy

Химия нефти

что такое температура кристаллизации

Низкотемпературные свойства нефтей и нефтепродуктов (топлив, масел) позволяют оценивать их подвижность, а также косвенно наличие в них некоторых групп углеводородов. Так, парафинистые нефтепродукты застывают при более высоких температурах, присутствие смолистых веществ понижает температуру застывания. К низкотемпературным характеристикам нефтей и нефтепродуктов относят температуры помутнения, начала кристаллизации, фильтруемости, застывания, плавления.

Температура помутнения

Температурой помутнения считается та максимальная температура, при которой в проходящем свете топливо меняет прозрачность (мутнеет) при сравнении с эталонным (параллельным) образцом.

Температуру помутнения для авиабензинов, авиационных керосинов и дизельных топлив определяют стандартным методом (ГОСТ 5066-91). Для этого в две стандартные пробирки с двойными стенками заливают образец испытуемого топлива (до метки) и закрывают корковой пробкой, в которую вставлены термометр и проволочная мешалка.

Первую пробирку устанавливают в бане с охладительной смесью, а вторую (контрольную) — на штативе для пробирок.

Первую пробирку охлаждают при постоянном перемешивании и за 5°С до ожидаемой температуры помутнения быстро вынимают из бани, опускают в стакан со спиртом и вставляют в штатив рядом со второй контрольной пробиркой.

Если в проходяшем свете прозрачность топлива в первой пробирке не изменилась, то ее вновь устанавливают в баню и продолжают охлаждение.

Дальнейшие контрольные наблюдения проводят через каждый градус, и та температура, при которой появится мутность в первой пробирке по сравнению с контрольной, принимается за температуру помутнения.

Температурой помутнения чаще всего характеризуют низкотемпературные свойства дизельных топлив, для них она составляет от 0°С до минус 35°С.

Помутнение дизельных топлив очень часто обусловливается присутствием в них какого-то количества н-алканов и примеси воды, которые при охлаждении первыми образуют по всему объему топлива мелкие кристаллы.

Температура начала кристаллизации

Температура начала кристаллизации характеризует низкотемпературные свойства авиационных топлив (бензинов и керосинов), в составе которых практически отсутствуют н-алканы. Температура начала кристаллизации определяется, так же как и температура помутнения, по ГОСТ 5066-91. По достижении температуры помутнения топливо продолжают охлаждать до появления первых кристаллов.

За температуру начала кристаллизации принимают максимальную температуру, при которой в топливе невооруженным глазом обнаруживаютскристаллы ароматических углеводородов, прежде всего бензола, который затвердевает при 5,5°С.

Эти кристаллы, хотя и не приводят к потере текучести топлив, тем не менее опасны для эксплуатации двигателей, поскольку забивают их топливные фильтры и нарушают подачу топлива.

Поэтому по техническим условиям температура начала кристаллизации авиационных и реактивных топлив не должна превышать минус 60°С.

Предельная температура фильтруемости

Предельная температура фильтруемости (ПТФ) характеризует низкотемпературные свойства топлив (главным образом дизельных утяжеленного фракционного состава).

Определение ПТФ по ГОСТ 22254-92 состоит в том, что образец испытуемого топлива при постепенном охлаждении и фиксации температуры через 1°С просасывают под вакуумом (остаточное давление 1,96 кПа) через стандартный фильтр. За ПТФ принимают ту температуру, при которой прохождение топлива через фильтр прекращается. Это связано с тем, что при определенной температуре образуется достаточно много кристаллов парафина, которые, осаждаясь на поверхности фильтра, прочно его забивают.

Обычно ПТФ ниже температуры помутнения на несколько градусов (3-8°С).

Температура застывания

Большое значение при транспортировке и применении нефтепродуктов в зимних условиях имеет их подвижность при низких температурах. Температура, при которой нефтепродукт в стандартных условиях теряет подвижность, называется температурой застывания.

Потеря подвижности нефтепродукта связана с фазовым переходом вещества из области обычной вязкости к структурной. Фазовый переход при понижении температуры в парафинистых нефтепродуктах сопровождается появлением множества кристаллов парафина и церезина, которые образуют сетку — кристаллический каркас.

Незастывшая часть нефтепродукта находится внутри сетки и таким образом становится неподвижной. Форма выделяющихся кристаллов зависит от химического состава углеводородной среды, скорость их роста — от вязкости среды, содержания и раствориморти парафиновых углеводородов при данной температуре и скорости охлаждения системы.

Скорость роста кристаллов прямо пропорциональна концентрации парафиновых углеводородов и обратно пропорциональна вязкости среды.

Смолистые и некоторые другие поверхностно-активные вещества, адсорбируясь на поверхности кристаллов, способны задерживать процесс кристаллизации парафинов. Поэтому температура застывания масляных дистиллятов после очистки от смол повышается. Существуют также вещества, которые при добавлении к минеральным маслам понижают их температуру застывания. Такие вещества называются депрессорными присадками, или депрессаторами.

Нефтепродукты, не содержащие парафиновых углеводородов или содержащие их в небольшом количестве, теряют подвижность (застывают) вследствие перехода в коллоидное (стеклообразное) состояние, что приводит к резкому возрастанию их вязкости.

Температура застывания нефтепродукта определяется по ГОСТ 20287-91. Предварительно нагретый и профильтрованный нефтепродукт заливают в стандартную пробирку до метки и закрывают пробкой с термометром. Пробирку нагревают для того, чтобы твердые смолистые вещества и кристаллы парафинов расплавились или растворились в жидкой части нефтепродукта.

Для нефтепродуктов, богатых смолами и бедных парафинами, предварительный подогрев приводит к понижению температуры застывания, так как смолы, адсорбируясь на кристаллах парафина, препятствуют образованию парафиновой кристаллической решетки. Напротив, температура застывания нефтепродуктов, богатых парафинами, после подогрева повышается.

Это объясняется тем, что без термической подготовки жидкая фаза нефтепродукта содержит меньше парафина, так как часть его уже находится в выделившемся состоянии.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Что такое каучук в химии

Пробирку с нагретым нефтепродуктом вставляют в специальную муфту охладительной бани и охлаждают до предполагаемой температуры застывания. При этой температуре пробирку с нефтепродуктом наклоняют под углом 45° и наблюдают за его уровнем.

Независимо от того, смещается уровень или остается неподвижным, опыт повторяют с самого начала, включая термическую обработку, и охлаждают продукт до более низкой или более высокой температуры.

Таким образом находят ту наивысшую температуру, при которой уровень нефтепродукта в пробирке, наклоненной под углом 45°, остается неподвижным в течение определенного времени. Эта температура принимается за температуру застывания нефтепродукта.

Температура плавления

Температура плавления характеризует способность твердых кристаллических нефтепродуктов — парафинов, церезинов и восков переходить из твердого состояния в жидкое, т. е. температуру фазового перехода.

Температуру плавления определяют по ГОСТ 4255-75 по методу Жукова. Образец испытуемого нефтепродукта расплавляют, тщательно перемешивают и при температуре на 8-10°С выше предполагаемой температуры плавления заливают в прозрачный сосуд Дьюара прибора Жукова, закрывают пробкой с термометром и выдерживают до тех пор, пока температура не станет выше предполагаемой температуры плавления на 3-4°С.

После этого прибор встряхивают, тщательно перемешивая содержимое, затем через каждую минуту отсчитывают температуру с погрешностью не более 0,1°С. Скорость падения температуры вначале большая, затем она замедляется и даже прекращается, а после этого снова возрастает.

За температуру плавления нефтепродукта принимают ту температуру, которая остается постоянной не менее трех отсчетов (в течение 3 мин).

Источник: http://proofoil.ru/Oilchemistry/temperatureproperty4.html

Плавление и кристаллизация

что такое температура кристаллизации

Кристаллизация – это переход вещества в кристаллическое состояние из жидкого, или газообразного, или аморфного состояния.

Кристаллизация является фазовым переходом, происходит с выделением тепла, но при постоянной температуре. Примеры кристаллизации: замерзание воды (переход из жидкой фазы в кристаллическую), образование инея (переход из газообразной фазы в кристаллическую).

Плавление кристаллического вещества – это переход из кристаллической фазы в жидкую.

Процесс плавления кристаллического вещества происходит с поглощением тепла, но температура остается постоянной, пока плавление не завершится. Пример плавления кристаллического вещества – таяние льда. Смесь снега и льда сохраняет температуру 0° С, пока весь лед не растает.

Фазовые переходы на диаграмме температуры и давления

Лед, вода, пар – классический пример трех агрегатных состояний вещества. Не всегда вещества демонстрируют такие же «правильные» фазовые переходы. Например, углекислый газ замерзает и переходит в кристаллическую фазу при температуре -56,6°С, минуя жидкую фазу. При нагревании твердый диоксид углерода не плавится, а испаряется, переходя сразу в газообразное состояние.

Но при более высоких температурах и высоком давлении возможен переход диоксида углерода в жидкое состояние, а при дальнейшем охлаждении жидкой фазы происходит кристаллизация. Фазовые переходы между агрегатными состояниями того или иного вещества изображаются на p-t диаграмме (по оси абсцисс откладывается температура, по оси ординат – давление).

Диаграмма фазовых переходов лед-вода-пар  показана для условий, когда лед находится не в воздушной среде, а в замкнутом объеме, где из газов присутствует только водяной пар.

По диаграммам можно проследить, что при повышении давления вода замерзает при более низких температурах; диоксид углерода, наоборот, имеет прямую зависимость температуры кристаллизации от давления.

Кристаллизация и затвердевание: в чем разница?

Твердые вещества могут не быть кристаллическими. Например, стекло и стеклоподобные аморфные вещества постепенно затвердевают при остывании; у них нет явно выраженной точки фазового перехода. Плавление стекла тоже происходит в некотором диапазоне температур, зависящем от химического состава и наличия примесей.
Отличие кристаллизации от затвердевания – в наличии фазового перехода, во время которого сохраняется постоянная температура:

  • если тепло не подводить, то жидкая и твердая фазы будут оставаться в равновесии;
  • если тепло поступает, то кристаллы будут плавиться, при сохранении температуры фазового перехода;
  • если тепло отводить, то происходит рост кристаллов, температура фазового перехода сохраняется, пока вся жидкая фаза не перейдет в кристаллическую.

Например, смесь воды со льдом в жаркий день сохраняет нулевую температуру, пока весь лед не растает. Поступающее тепло увеличивает внутреннюю энергию за счет приобретения молекулами дополнительных степеней свободы, но температура сохраняется прежняя до того, как лед полностью растает.

Фазовый переход в твердом веществе между двумя кристаллическими состояниями

Иначе ведет себя углерод. У него несколько фазовых переходов. Из жидкой формы, при отводе тепла, он переходит в кристаллическую фазу – графит; при высоком давлении более 120 000 атм. жидкий углерод кристаллизуется в алмаз.
Кроме того, есть фазовый переход между двумя твердыми кристаллическими фазами: графитом и алмазом.

На рисунке красной линией показана диаграмма фазового перехода между алмазом и графитом. Температура фазового перехода зависит от давления, процессы, происходящие в твердом теле, аналогичны кристаллизации воды: если тепло подводить, то алмаз переходит в графит; если тепло отводить при соответствующем высоком давлении, то происходит переход, кристаллизация графита в алмаз.

Можно видеть, что переходы между алмазом и графитом совершаются при высоких температурах и давлениях, а при нормальном давлении и температуре алмаза вроде бы и не должно быть. Действительно, при низком давлении графит нельзя превратить в алмаз. Но если алмаз образовался под воздействием высокого давления, при охлаждении и уменьшении давления он сохраняет свою структуру: это метастабильное состояние.

Действительно, из всех кристаллов алмаз самый нестойкий: при нагревании до 1400°С он превращается в графит – устойчивую при нормальном давлении фазу.

Кристаллизация жидких кристаллов

Есть вещества, имеющие несколько кристаллических фаз в твердом состоянии; но есть целый класс веществ, имеющих несколько фазовых переходов в жидком состоянии: это вещества, раствор или расплав которых образует жидкие кристаллы.
Жидкие кристаллы имеют для нас важнейшее значение.

Живые ткани построены из органических молекул, частично упорядоченных; то есть все живые существа состоят из жидких кристаллов.
Жидкие кристаллы – это частично упорядоченные двумерные или одномерные структуры. Они стабильны в узком диапазоне температур, являются промежуточным состоянием между кристаллической и жидкой фазами.

Переход от трехмерной кристаллической решетки к двумерной или одномерной структуре происходит при температуре фазового перехода; после того, как весь образец  перейдет в жидкокристаллическое состояние, температура начинает повышаться, и повышается до значения, соответствующего следующему фазовому переходу.

В конце концов частично упорядоченная структура переходит в жидкую фазу, при температуре соответствующего фазового перехода.

Источник: http://fizikatyt.ru/2016/10/02/%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%B8-%D0%BA%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F/

Плавление и кристаллизация – FIZI4KA

ОГЭ 2018 по физике ›

1.Плавлением называется процесс превращения вещества из твёрдого состояния в жидкое.

Наблюдения показывают, что если измельчённый лёд, имеющий, например, температуру -10 °С, оставить в тёплой комнате, то его температура будет повышаться. При 0 °С лёд начнет таять, а температура при этом не будет изменяться до тех пор, пока весь лёд не превратится в жидкость. После этого температура образовавшейся изо льда воды будет повышаться.

Это означает, что кристаллические тела, к которым относится и лед, плавятся при определённой температуре, которую называют температурой плавления. Важно, что во время процесса плавления температура кристаллического вещества и образовавшейся в процессе его плавления жидкости остаётся неизменной.

2. В описанном выше опыте лёд получал некоторое количество теплоты, его внутренняя энергия увеличивалась за счёт увеличения средней кинетической энергии движения молекул.

Затем лёд плавился, его температура при этом не менялась, хотя лёд получал некоторое количество теплоты. Следовательно, его внутренняя энергия увеличивалась, но не за счёт кинетической, а за счёт потенциальной энергии взаимодействия молекул.

Получаемая извне энергия расходуется на разрушение кристаллической решетки. Подобным образом происходит плавление любого кристаллического тела.

Аморфные тела не имеют определённой температуры плавления. При повышении температуры они постепенно размягчаются, пока не превратятся в жидкость.

3.Процесс перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое состояние называют кристаллизацией. Охлаждаясь, жидкость будет отдавать некоторое количество теплоты окружающему воздуху. При этом будет уменьшаться её внутренняя энергия за счёт уменьшения средней кинетической энергии его молекул.

При определённой температуре начнётся процесс кристаллизации, во время этого процесса температура вещества не будет изменяться, пока всё вещество не перейдет в твёрдое состояние.

Этот переход сопровождается выделением определённого количества теплоты и соответственно уменьшением внутренней энергии вещества за счёт уменьшения потенциальной энергии взаимодействия его молекул.

Таким образом, переход вещества из жидкого состояния в твёрдое состояние происходит при определённой температуре, называемой температурой кристаллизации. Эта температура остаётся неизменной в течение всего процесса плавления. Она равна температуре плавления этого вещества.

На рисунке 76 приведён график зависимости температуры твёрдого кристаллического вещества от времени в процессе его нагревания от комнатной температуры до температуры плавления (АБ), плавления (БВ), нагревания вещества в жидком состоянии (ВГ), охлаждения жидкого вещества (ГД), кристаллизации (ДЕ) и последующего охлаждения вещества в твёрдом состоянии (ЕЖ).

4. Различные кристаллические вещества имеют разное строение. Соответственно, для того, чтобы разрушить кристаллическую решётку твёрдого тела при температуре его плавления, необходимо ему сообщить разное количество теплоты.

Количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг кристаллического вещества, чтобы превратить его в жидкость при температуре плавления, называют удельной теплотой плавления.

Опыт показывает, что удельная теплота плавления равна удельной теплоте кристаллизации.

Удельную теплоту плавления обозначают буквой ​\( \lambda \)​. Единица удельной теплоты плавления — ​\( [\lambda] \)​ = 1 Дж/кг.

Значения удельной теплоты плавления кристаллических веществ приведены в таблице. Удельная теплота плавления алюминия 3,9·105 Дж/кг. Это означает, что для плавления 1 кг алюминия при температуре плавления необходимо затратить количество теплоты 3,9·105 Дж. Этому же значению равно увеличение внутренней энергии 1 кг алюминия.

Чтобы вычислить количество теплоты ​\( Q \)​, необходимое для плавления вещества массой ​\( m \)​, взятого при температуре плавления, следует удельную теплоту плавления ​\( \lambda \)​ умножить на массу вещества: ​\( Q=\lambda m \)​.

Эта же формула используется при вычислении количества теплоты, выделяющегося при кристаллизации жидкости.

  • Примеры заданий
  • Ответы

Часть 1

1. В процессе плавления кристаллическое твёрдое тело становится жидкостью. При этом

1) уменьшается внутренняя энергия тела 2) увеличивается средняя кинетическая энергия молекул 3) увеличивается внутренняя энергия тела

4) уменьшается средняя кинетическая энергия молекул

2. В одном сосуде находится лёд при температуре 0 °С, в другом — такая же масса воды при температуре 0 °С. Внутренняя энергия льда

1) равна внутренней энергии воды 2) больше внутренней энергии воды 3) меньше внутренней энергии воды

4) равна нулю

3. На рисунке представлен график зависимости температуры от времени для процесса нагревания льда. Процессу плавления льда соответствует участок графика

1) AB 2) BC 3) CD

4) DE

4. На рисунке приведён график зависимости температуры некоторого вещества от времени. Первоначально вещество находилось в жидком состоянии. Какая точка графика соответствует началу процесса отвердевания вещества?

1) А 2) Б 3) В

4) Г

5. На рисунке приведён график зависимости температуры некоторого вещества от времени. Первоначально вещество находилось в жидком состоянии. Какая точка графика соответствует окончанию процесса отвердевания вещества?

1) А 2) Б 3) В

4) Г

6. На рисунке изображён график зависимости температуры тела от времени. Первоначально тело находилось в жидком состоянии. Какой процесс характеризует отрезок БВ?

1) нагревание 2) охлаждение 3) плавление

4) кристаллизацию

7. На рисунке представлен график зависимости температуры ​\( t \)​ от времени ​\( \tau \)​ при непрерывном нагревании и последующем непрерывном охлаждении вещества, первоначально находящегося в твёрдом состоянии. В каком состоянии находится вещество в точке Е?

1) только в жидком 2) только в твёрдом 3) только в газообразном

4) часть — в жидком, часть — в твёрдом

8. Удельную теплоту плавления можно рассчитать по формуле

1) ​\( \frac{Q}{m(t_2-t_1)} \)​
2) \( \frac{Q}{m} \)
3) \( \frac{Q}{(t_2-t_1)} \)
4) ​\( \lambda m \)​

9. Чему равно количество теплоты, которое необходимо затратить на полное превращение 2 кг свинца в жидкое состояние, если его начальная температура 27 °С?

1) 50 кДж 2) 78 кДж 3) 128 кДж

4) 15000 кДж

10. Какое количество теплоты выделяется при превращении 500 г воды, взятой при 0 °С, в лёд при температуре -10 °С? Потерями энергии на нагревание окружающего воздуха пренебречь.

1) 10500 Дж 2) 175 500 Дж 3) 165 000 Дж

4) 10500 Дж

11. На рисунке представлен график зависимости температуры некоторого вещества от полученного количества теплоты. Первоначально вещество находилось в твёрдом состоянии.

Используя данные графика, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.

1) Удельная теплоёмкость вещества в твёрдом состоянии равна удельной теплоёмкости вещества в жидком состоянии. 2) Температура кипения вещества равна tx. 3) В точке В вещество находится в твёрдом состоянии. 4) В процессе перехода из состояния Б в состояние В внутренняя энергия вещества увеличивается.

5) Участок графика ГД соответствует процессу плавления вещества.

12. На рисунке представлены графики зависимости температуры от полученного количества теплоты для двух веществ одинаковой массы. Первоначально каждое из веществ находилось в твёрдом состоянии.

Используя данные графиков, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.

1) Удельная теплоёмкость первого вещества в твёрдом состоянии меньше удельной теплоёмкости второго вещества в твёрдом состоянии. 2) В процессе плавления первого вещества было израсходовано большее количество теплоты, чем в процессе плавления второго вещества. 3) Представленные графики не позволяют сравнить температуры кипения двух веществ. 4) Температура плавления второго вещества выше.

5) Удельная теплота плавления у второго вещества больше.

Часть 2

13. Зависимость температуры 1 л воды от времени при непрерывном охлаждении представлена на графике. Какое количество теплоты выделилось при кристаллизации воды и охлаждении льда?

Ответы

Источник: https://fizi4ka.ru/ogje-2018-po-fizike/plavlenie-i-kristallizacija.html

Плавление

При низких температурах все вещества замерзают и превращаются в твёрдые тела, атомы и молекулы в которых упакованы так плотно, что силы их взаимного притяжения позволяют им совершать только колебательные движения около положения равновесия. Поэтому при обычных условиях твёрдые тела сохраняют объём и форму.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Что такое фреза по дереву

Процесс перехода вещества из твёрдого состояния в жидкое называют плавлением. Это процесс происходит при повышении температуры.

Весной, когда пригревает солнышко, начинают таять снежные сугробы. Мельчайшие кристаллики льда, из которых состоит снег, превращаются в воду.

Но, несмотря на то, что воздух прогревается, и его температура становится выше нуля, температура тающего снега, и температура талой воды остаются равными 00С до тех пор, пока снег не растает совсем. Всё дело в том, что плавление происходит постепенно.

Вещество при плавлении поглощает тепло, которое получает извне, и некоторое время одновременно находится и в твёрдом, и в жидком состоянии. И его температура не меняется, пока всё оно не расплавится и не станет жидким.

Что происходит при нагревании твёрдого вещества? При повышении температуры скорость колебаний частиц внутри вещества увеличивается. Следовательно, увеличивается и его внутренняя энергия. При определённой температуре, которую называют температурой плавления, кристаллическая решётка твёрдого тела начинает разрушаться. Молекулы получают большую свободу. Они могут перескакивать и занимать другие положения. Вещество превращается в жидкость.

Чтобы твёрдое вещество начало плавиться, его необходимо нагреть до температуры плавления. Когда оно начинает получать тепло извне, некоторое время его температура будет расти прямо пропорционально времени нагревания. Так будет до тех пор, пока оно не начнёт плавиться. Но как только его температура станет равной температуре плавления, она перестанет изменяться и будет постоянной, пока всё вещество не превратится в жидкость. После этого температура жидкости снова начнёт повышаться.

Но если жидкость перестанет получать тепло, она начнёт остывать. И как только её температура снизится до значения, равного температуре плавления, начинается процесс кристаллизации.

Каждое вещество имеет свою температуру плавления. При нормальном давлении (760 мм рт.ст.) лёд начинает плавиться при 0оС. Самую высокую температуру плавления среди металлов имеет вольфрам — 3422 °C. Простое вещество углерод плавится при температуре 3500 — 4500 °C. А температура плавления спирта — минус 114оС.

Кристаллизация

Когда температура жидкости понижается, её молекулы становятся менее подвижными. А силы притяжения, которые удерживают молекулы в определённом строгом порядке, характерном для твёрдого тела, увеличиваются.

Если жидкое вещество охладить до определённой температуры, то оно затвердеет. Процесс фазового перехода из жидкого состояния к твёрдому называется кристаллизацией. В отличие от плавления, когда вещество получает тепло, при кристаллизации оно его отдаёт, а его температура снижается.

Температура, при которой происходит этот процесс, называется температурой кристаллизации. Для чистого вещества температура плавления равна температуре кристаллизации.

Как и плавление, кристаллизация также происходит постепенно. Точно так же жидкость и твёрдое вещество будут иметь одинаковую температуру до тех пор, пока не затвердеет всё вещество.

Расплавленное паяльником жидкое олово застывает и становится твёрдым, кода мы убираем паяльник. Расплавленный жидкий металл, разлитый в формы, отвердевает при снижении температуры.

Кристаллизацию в природе мы наблюдаем ежегодно, когда при низкой температуре замерзает вода в водоёмах, на землю вместо капелек дождя падают снежинки.

График изменения агрегатного состояния вещества

Процессы плавления и кристаллизации хорошо видны на графике, показывающем, как меняется агрегатное состояние вещества в зависимости от температуры.

Измерим температуру куска льда. Термометр показывает -20оС. Положим лёд в ведро и занесём в помещение. Постепенно он начнёт таять, а его температура — повышаться. Когда на термометре будет 0оС, дальнейшего повышения температуры не произойдёт, пока не растает весь лёд. Когда же он весь превратится в воду, вода в ведре начнёт нагреваться, пока не достигнет комнатной температуры.

Вынесем ведро с водой на мороз. Вода продолжит остывать. Когда её температура опустится до 0оС, она начнёт превращаться в лёд. А температура не будет изменяться, пока не затвердеет вся вода. И только после этого она снова начнёт постепенно понижаться до значения, равного температуре воздуха.

С помощью подобного графика можно отобразить изменения агрегатного состояния любого вещества.

Источник: http://ency.info/materiya-i-dvigenie/molekulyarno-kineticheskaya-teoriya/356-plavlenie-i-kristallizatsiya

Кристаллизация воды: описание процесса, примеры

В обыденной жизни все мы то и дело сталкиваемся с явлениями, сопровождающими процессы перехода веществ из одного агрегатного состояния в другое. И наиболее часто нам приходится наблюдать подобные явления на примере одного из самых распространенных химических соединений – всем хорошо знакомой и привычной воды. Из статьи вы узнаете, как происходит превращение жидкой воды в твердый лед – процесс, называемый кристаллизацией воды – и какими особенностями характеризуется этот переход.

Что такое фазовый переход?

Всем известно, что в природе существует три основных агрегатных состояния (фазы) вещества: твердое, жидкое и газообразное. Часто к ним добавляют и четвертое состояние – плазму (благодаря особенностям, отличающим ее от газов). Однако при переходе от газа к плазме нет характерной резкой границы, и свойства ее определяются не столько взаимоотношением между частицами вещества (молекулами и атомами), сколько состоянием самих атомов.

Все вещества, переходя из одного состояния в другое, при обычных условиях резко, скачкообразно меняют свои свойства (исключение составляют некоторые сверхкритические состояния, но здесь мы их касаться не будем). Такое превращение и есть фазовый переход, точнее, одна из его разновидностей. Происходит оно при определенном сочетании физических параметров (температуры и давления), называемом точкой фазового перехода.

Превращение жидкости в газ — это испарение, обратное явление – конденсация. Переход вещества из твердого состояния в жидкое – плавление, если же процесс идет в противоположном направлении, то он именуется кристаллизацией. Твердое тело может сразу превратиться в газ и, наоборот – в этих случаях говорят о сублимации и десублимации.

При кристаллизации вода превращается в лед и наглядно демонстрирует, насколько меняются при этом ее физические свойства. Остановимся на некоторых важных подробностях этого явления.

Понятие о кристаллизации

Когда жидкость при охлаждении затвердевает, изменяется характер взаимодействия и расположения частиц вещества. Уменьшается кинетическая энергия беспорядочного теплового движения составляющих его частиц, и они начинают образовывать между собой устойчивые связи. Когда благодаря этим связям молекулы (или атомы) выстраиваются регулярным, упорядоченным образом, формируется кристаллическая структура твердого вещества.

Кристаллизация не охватывает одновременно весь объем охлаждаемой жидкости, а начинается с образования мелких кристалликов. Это так называемые центры кристаллизации. Они разрастаются послойно, ступенчато, путем присоединения все новых молекул или атомов вещества вдоль растущего слоя.

Условия кристаллизации

Кристаллизация требует охлаждения жидкости до некоторой температуры (она же одновременно является и точкой плавления). Так, температура кристаллизации воды при нормальных условиях – 0 °C.

Для каждого вещества кристаллизация характеризуется величиной скрытой теплоты. Это количество энергии, выделяемое при данном процессе (а при обратном – соответственно поглощаемой энергии).

Удельная теплота кристаллизации воды – это скрытая теплота, выделяемая одним килограммом воды при 0 °C. Из всех веществ у воды она одна из самых высоких и составляет около 330 кДж/кг. Столь большая величина обусловлена особенностями структуры, определяющими параметры кристаллизации воды.

Формулой для расчета скрытой теплоты мы воспользуемся ниже, после рассмотрения этих особенностей.

Для компенсации скрытой теплоты необходимо переохладить жидкость, чтобы начался рост кристаллов. Степень переохлаждения оказывает существенное влияние на количество центров кристаллизации и на скорость их разрастания. Пока протекает процесс, дальнейшее охлаждение температуры вещества не меняет.

Молекула воды

Чтобы полнее представлять себе, каким образом происходит кристаллизация воды, необходимо знать, как устроена молекула этого химического соединения, ведь строение молекулы обусловливает особенности связей, которые она образует.

В молекуле воды объединены один атом кислорода и два атома водорода. Они формируют тупоугольный равнобедренный треугольник, в котором атом кислорода расположен в вершине тупого угла величиной 104,45°.

При этом кислород сильно оттягивает электронные облака в свою сторону, так что молекула представляет собой электрический диполь. Заряды в нем распределены по вершинам воображаемой четырехгранной пирамиды – тетраэдра с внутренними углами приблизительно 109°.

Вследствие этого молекула может образовывать по четыре водородных (протонных) связи, что, разумеется, влияет на свойства воды.

Особенности структуры жидкой воды и льда

Способность молекулы воды к формированию протонных связей проявляется и в жидком, и в твердом состоянии. Когда вода – жидкость, связи эти достаточно неустойчивы, легко разрушаются, но и постоянно образуются снова. Благодаря их наличию молекулы воды связаны между собой сильнее, чем частицы других жидкостей.

Ассоциируясь, они формируют особые структуры – кластеры. По этой причине фазовые точки воды смещены в сторону более высоких температур, ведь для разрушения таких дополнительных ассоциатов тоже нужна энергия.

Причем энергия довольно значительная: не будь водородных связей и кластеров, температура кристаллизации воды (а также ее плавления) составила бы –100 °C, а кипения +80 °C.

Строение кластеров идентично строению кристаллического льда. Связываясь каждая с четырьмя соседками, молекулы воды выстраивают ажурную кристаллическую структуру с основой в форме шестиугольника.

В отличие от жидкой воды, где микрокристаллы – кластеры – непостоянны и подвижны из-за теплового движения молекул, при образовании льда они перестраиваются устойчивым и регулярным образом.

Водородные связи фиксируют взаимное расположение узлов кристаллической решетки, и в результате расстояние между молекулами становится несколько больше, чем в жидкой фазе. Этим обстоятельством объясняется скачок плотности воды при ее кристаллизации – плотность падает с почти 1 г/см3 до примерно 0,92 г/см3.

О скрытой теплоте

Особенности молекулярного строения воды весьма серьезно отражаются на ее свойствах. Это видно, в частности, по большой удельной теплоте кристаллизации воды.

Она обусловлена именно наличием протонных связей, отличающим воду от прочих соединений, образующих молекулярные кристаллы. Установлено, что энергия водородной связи в воде составляет около 20 кДж на моль, то есть на 18 г.

Значительная часть этих связей устанавливается «в массовом порядке» при замерзании воды – вот откуда берется такая большая отдача энергии.

Приведем несложный расчет. Пусть при кристаллизации воды выделилось 1650 кДж энергии. Это немало: эквивалентную энергию можно получить, например, при взрыве шести гранат-лимонок Ф-1. Подсчитаем массу подвергшейся кристаллизации воды.

Формула, связывающая количество скрытой теплоты Q, массу m и удельную теплоту кристаллизации λ, очень проста: Q = – λ * m. Знак минуса означает просто, что тепло отдается физической системой. Подставляя известные величины, получим: m = 1650/330 = 5 (кг).

Всего 5 литров нужно, чтобы целых 1650 кДж энергии выделилось при кристаллизации воды! Разумеется, энергия отдается не мгновенно – процесс длится в течение достаточно продолжительного времени, и теплота рассеивается.

Об этом свойстве воды прекрасно знают, например, многие птицы, и используют его, чтобы погреться возле замерзающей воды озер и рек, в таких местах температура воздуха на несколько градусов выше.

Кристаллизация растворов

Вода – замечательный растворитель. Вещества, растворенные в ней, сдвигают точку кристаллизации, как правило, в сторону понижения. Чем выше концентрация раствора, тем при более низкой температуре будет происходить замерзание. Ярким примером служит морская вода, в которой растворено много различных солей. Их концентрация в воде океанов составляет 35 промилле, и кристаллизуется такая вода при –1,9 °C.

Соленость воды в разных морях сильно отличается, поэтому и точка замерзания бывает различной. Так, вода Балтики имеет соленость не более 8 промилле, и температура кристаллизации ее близка к 0 °C. Минерализованные грунтовые воды также замерзают при температурах ниже нуля.

Следует иметь в виду, что речь всегда идет только о кристаллизации воды: морской лед практически всегда пресный, в крайнем случае слабосоленый.

Водные растворы различных спиртов тоже отличаются пониженной температурой замерзания, причем кристаллизация их протекает не скачкообразно, а с некоторым интервалом температур. Например, 40-процентный спирт начинает замерзать при -22,5 °C, а окончательно кристаллизуется при -29,5 °C.

А вот раствор такой щелочи, как едкий натр NaOH или каустик являет собой интересное исключение: ему свойственна повышенная температура кристаллизации.

Как замерзает чистая вода?

В дистиллированной воде кластерная структура нарушена вследствие испарения при дистилляции, и количество водородных связей между молекулами такой воды очень мало. Кроме того, в такой воде отсутствуют примеси типа взвешенных микроскопических пылинок, пузырьков и т. п., представляющих собой дополнительные центры кристаллообразования. По этой причине точка кристаллизации дистиллированной воды понижена до –42 °C.

Можно переохладить дистиллированную воду даже до –70 °C. В подобном состоянии переохлажденная вода способна кристаллизоваться практически мгновенно по всему объему при малейшем сотрясении или попадании ничтожной примеси.

Парадоксальная горячая вода

Удивительный факт – горячая вода переходит в кристаллическое состояние быстрее, чем холодная – получил название «эффекта Мпембы» в честь танзанийского школьника, обнаружившего этот парадокс. Точнее, знали о нем еще в древности, однако, не найдя объяснения, натурфилософы и естествоиспытатели в конце концов перестали обращать внимание на загадочный феномен.

В 1963 году Эрасто Мпемба был удивлен тем, что подогретая смесь для мороженого застывает быстрее, чем холодная. А в 1969 году интригующее явление получило подтверждение уже в физическом эксперименте (кстати, с участием самого Мпембы). Эффект объясняют целым комплексом причин:

  • большее количество центров кристаллизации, таких как воздушные пузырьки;
  • высокая теплоотдача горячей воды;
  • высокий темп испарения, влекущего за собой уменьшение объема жидкости.

Давление как фактор кристаллизации

Взаимосвязь давления и температуры как ключевых величин, влияющих на процесс кристаллизации воды, наглядно отражена на фазовой диаграмме. Из нее видно, что при повышении давления температура фазового перехода воды из жидкого в твердое состояние чрезвычайно медленно понижается.

Естественно, справедливо и обратное: чем давление ниже, тем более высокая температура нужна для образования льда, и растет она точно так же медленно.

Чтобы добиться условий, при которых вода (не дистиллированная!) способна кристаллизоваться в обычный лед Ih при минимально возможной температуре –22 °C, давление нужно увеличить до 2085 атмосфер.

Максимальная температура кристаллизации соответствует следующему сочетанию условий, называемому тройной точкой воды: 0,006 атмосфер и 0,01 °C. При таких параметрах точки кристаллизации-плавления и конденсации-кипения совпадают, и все три агрегатных состояния воды сосуществуют равновесно (в отсутствие других веществ).

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Как выбрать фрезерный станок

Множество типов льда

В настоящее время известно около 20 модификаций твердотельного состояния воды – от аморфного до льда XVII. Все они, кроме обычного льда Ih, требуют экзотических для Земли условий кристаллизации, и далеко не все стабильны.

Только лед Ic очень редко обнаруживается в верхних слоях земной атмосферы, но его формирование связано не с замерзанием воды, так как он образуется из водяных паров при чрезвычайно низких температурах.

В Антарктиде был найден лед XI, однако эта модификация – производная обычного льда.

Путем кристаллизации воды при экстремально высоких давлениях можно получить такие модификации льда, как III, V, VI, и с одновременным повышением температуры – лед VII.

Вполне вероятно, что какие-либо из них могут образовываться в условиях, необычных для нашей планеты, на других телах Солнечной системы: на Уране, Нептуне или крупных спутниках планет-гигантов.

Надо думать, будущие эксперименты и теоретические исследования малоизученных пока свойств этих льдов, а также особенности процессов их кристаллизации, прояснят этот вопрос и откроют еще много нового.

Источник: https://autogear.ru/article/399/096/kristallizatsiya-vodyi-opisanie-protsessa-usloviya-primeryi/

Кристаллизация веществ. Кристаллизация чистого металла. Температура кристаллизации. | мтомд.инфо

Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Возможен переход из одного состояния в другое, если новое состояние в новых условиях является более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.

Процесс кристаллизации. Кристаллизация металлов. Кристаллизация стали.
Строение металлического слитка. Условия получения мелкозернистой структуры. Транскристаллизация.

С изменением внешних условий свободная энергия изменяется по сложному закону различно для жидкого и кристаллического состояний. Характер изменения свободной энергии жидкого и твердого состояний с изменением температуры показан на рисунке 1.

Рисунок 1 — Изменение свободной энергии в зависимости от температуры

В соответствии с этой схемой выше температуры ТS вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже ТS – в твердом. При температуре равной ТS жидкая и твердая фаза обладают одинаковой энергией, металл в обоих состояниях находится в равновесии, поэтому две фазы могут существовать одновременно бесконечно долго. Температура ТS – равновесная или теоретическая температура кристаллизации.

Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Это возможно при охлаждении жидкости ниже температуры ТS. Температура, при которой практически начинается кристаллизация называется фактической температурой кристаллизации.

Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения (ΔT):

ΔT = Ттеор — Ткр

Степень переохлаждения зависит от природы металла, от степени его загрязненности (чем чище металл, тем больше степень переохлаждения), от скорости охлаждения (чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждени).

При нагреве всех кристаллических тел наблюдается четкая граница перехода из твердого состояния в жидкое. Такая же граница существует при переходе из жидкого состояния в твердое.

Кристаллизация – это процесс образования участков кристаллической решетки в жидкой фазе и рост кристаллов из образовавшихся центров. Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с минимумом свободной энергии.

Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах время – температура. Кривая охлаждения чистого металла представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 — Кривая охлаждения чистого металла

Ттеор — теоретическая температура кристаллизации;

Ткр — фактическая температура кристаллизации.

Аллотропия. Полиморфные превращения. Магнитные превращения.
Анизотропия. Анизотропия кристаллов. Анизотропия свойств. Изотропия.

Процесс кристаллизации чистого металла. До точки 1 охлаждается металл в жидком состоянии, процесс сопровождается плавным понижением температуры.

На участке 1 – 2 идет процесс кристаллизации, сопровождающийся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Оно компенсирует рассеивание теплоты в пространство, и поэтому температура остается постоянной.

После окончания кристаллизации в точке 2 температура снова начинает снижаться, металл охлаждается в твердом состоянии.

Источник: http://www.mtomd.info/archives/1076

Кристаллизация воды: описание процесса, условия, примеры

В обыденной жизни все мы то и дело сталкиваемся с явлениями, сопровождающими процессы перехода веществ из одного агрегатного состояния в другое. И наиболее часто нам приходится наблюдать подобные явления на примере одного из самых распространенных химических соединений – всем хорошо знакомой и привычной воды. Из статьи вы узнаете, как происходит превращение жидкой воды в твердый лед – процесс, называемый кристаллизацией воды – и какими особенностями характеризуется этот переход.

Конспект

Плавление — это процесс превращения вещества из твёрдого состояния в жидкое.

Наблюдения показывают, что если измельчённый лёд, имеющий, например, температуру –10 °С, оставить в тёплой комнате, то его температура будет повышаться. При 0 °С лёд начнет таять, а температура при этом не будет изменяться до тех пор, пока весь лёд не превратится в жидкость. После этого температура образовавшейся изо льда воды будет повышаться.

Это означает, что кристаллические тела, к которым относится и лед, плавятся при определённой температуре, которую называют температурой плавления. Важно, что во время процесса плавления температура кристаллического вещества и образовавшейся в процессе его плавления жидкости остаётся неизменной.

В описанном выше опыте лёд получал некоторое количество теплоты, его внутренняя энергия увеличивалась за счёт увеличения средней кинетической энергии движения молекул. Затем лёд плавился, его температура при этом не менялась, хотя лёд получал некоторое количество теплоты.

Следовательно, его внутренняя энергия увеличивалась, но не за счёт кинетической, а за счёт потенциальной энергии взаимодействия молекул. Получаемая извне энергия расходуется на разрушение кристаллической решетки.

Подобным образом происходит плавление любого кристаллического тела.

Аморфные тела не имеют определённой температуры плавления. При повышении температуры они постепенно размягчаются, пока не превратятся в жидкость.

Кристаллизация

Кристаллизация — это процесс перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое состояние. Охлаждаясь, жидкость будет отдавать некоторое количество теплоты окружающему воздуху. При этом будет уменьшаться её внутренняя энергия за счёт уменьшения средней кинетической энергии его молекул.

При определённой температуре начнётся процесс кристаллизации, во время этого процесса температура вещества не будет изменяться, пока всё вещество не перейдет в твёрдое состояние.

Этот переход сопровождается выделением определённого количества теплоты и соответственно уменьшением внутренней энергии вещества за счёт уменьшения потенциальной энергии взаимодействия его молекул.

Таким образом, переход вещества из жидкого состояния в твёрдое состояние происходит при определённой температуре, называемой температурой кристаллизации. Эта температура остаётся неизменной в течение всего процесса плавления. Она равна температуре плавления этого вещества.

На рисунке приведён график зависимости температуры твёрдого кристаллического вещества от времени в процессе его нагревания от комнатной температуры до температуры плавления, плавления, нагревания вещества в жидком состоянии, охлаждения жидкого вещества, кристаллизации и последующего охлаждения вещества в твёрдом состоянии.

Удельная теплота плавления

Различные кристаллические вещества имеют разное строение. Соответственно, для того, чтобы разрушить кристаллическую решётку твёрдого тела при температуре его плавления, необходимо ему сообщить разное количество теплоты.

Удельная теплота плавления — это количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг кристаллического вещества, чтобы превратить его в жидкость при температуре плавления. Опыт показывает, что удельная теплота плавления равна удельной теплоте кристаллизации.

Удельная теплота плавления обозначается буквой λ. Единица удельной теплоты плавления — [λ] = 1 Дж/кг.

Значения удельной теплоты плавления кристаллических веществ приведены в таблице. Удельная теплота плавления алюминия 3,9*105 Дж/кг. Это означает, что для плавления 1 кг алюминия при температуре плавления необходимо затратить количество теплоты 3,9*105 Дж. Этому же значению равно увеличение внутренней энергии 1 кг алюминия.

Чтобы вычислить количество теплоты Q, необходимое для плавления вещества массой m, взятого при температуре плавления, следует удельную теплоту плавления λ умножить на массу вещества: Q = λm.

Эта же формула используется при вычислении количества теплоты, выделяющегося при кристаллизации жидкости.

Конспект урока «Плавление и кристаллизация. Удельная теплота плавления».

Следующая тема: «Тепловые машины. ДВС. Удельная теплота сгорания топлива».

Источник: https://uchitel.pro/%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%B8-%D0%BA%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F/

Рекристаллизация металла

Нагревание металла до определённой температуры приводит к изменениям в его физическом состоянии. Вначале наблюдается пластическая деформация. Дальнейший нагрев приводит к ослаблению и разрушению кристаллической решётки. На конечном этапе в структуре наблюдается два процесса: возврат и рекристаллизация.

Второй процесс для каждого из материалов происходит при строго индивидуальных условиях. Рекристаллизация металлов происходит при определённой температуре и приводит к изменению физических и механических свойств.

Описание процесса

Рекристаллизация характеризуется следующими показателями:

  • скоростью протекания рекристаллизации;
  • температурой начала кристаллизации;
  • последовательностью рекристаллизационных преобразований.

При постепенном повышении температуры наступает момент,когда начинается разрушение прочных кристаллических связей. Температура, при которой он начинается, называется температурный порог рекристаллизации. Этот показатель во многом зависит от чистоты материала, то есть количества имеющихся добавок и примесей.

Например, для алюминия этот порог равен 100 °С, для железа обладающего нормальной технической чистотой он равен 450 °С. Для меди она составляет 270 °С. В теории металловедения получена однозначная зависимость, которая связывает абсолютную температуру порога рекристаллизации и температуру плавления. Эта температура справедлива для всех металлов и сплавов.

Теория описания этого показателя полностью подтверждается на практике.

Было установлено, что температура начала кристаллизации связана с температурой плавления через определённый коэффициент. Он имеет свою величину для различных материалов. В частности принято считать, что этот коэффициент равен:

  • для металлов с небольшим количеством примесей и добавок он равен 0,4;
  • металлы с высокой чистотой обладают коэффициентом 0,1-0,2;
  • для так называемых твёрдых растворов он находится в интервале от 0,5 до 0,8.

Более точные значения для каждого материала можно найти в справочной литературе по металловедению.

В зависимости от химических и физических свойств и условий протекания процесса зависит скорость рекристаллизации.Она изменяется при изменении состава металла, давления или механического воздействия на образец. Скорость влияет на рекристаллизационные процессы, конечный результат преобразований.Очень важным является возможность регулирования скорости этого превращения.

Например, при производстве так называемой трансформаторной стали необходимо обеспечивать условия формирования крупных кристаллов, которые будут ориентированы в одном направлении. Эта задача решается с помощью соответствующих добавок. Такими добавками служат сера и марганец.

Эти добавки создают соответствующий катализ для получения материала с необходимыми физическими и механическими характеристиками.

В результате применения катализаторов, создания определённых условий (температуры, давления) начинается собирательный процесс зёрен необходимого размера и формы с их строгой ориентацией, что позволяет придать металлу требуемые свойства.

Стадии рекристаллизации

Для лучшего понимания протекания рекристаллизации его разбивают на несколько стадий. Первая стадия (рекристаллизация первичная) сводится к образованию так называемых центров рекристаллизации. На этой стадии рекристаллизации происходит формирование новых зёрен. Основной особенностью этих зёрен является их неповреждённая решётка. Около старых зёрен формируются новые с искажённой решёткой. При повышении температуры происходит их постепенное численное увеличение.

Итогом таких преобразований становится формирование всё большего числа новых зёрен,которые становятся доминантными. Старых зёрен не остаётся вовсе.Основной движущей силой этой стадии является энергия, которая собрана в деформированном (наклёпанном) металле. Наблюдается стремление системы прийти к состоянию устойчивого равновесия с доминированием неискажённой кристаллической решёткой.

Первичная рекристаллизация называется динамической.

Это связано с тем, что она происходит непосредственно при горячей пластической деформации нагретого металла. Происходит многократное чередование циклов первичной (динамической) рекристаллизации с циклами спонтанного повышения плотности дислокации новых образований (зарождение новых зёрен). Скорость протекания этой стадии зависит от температуры деформации.

Если температура достигла величины, которая значительно превышает температурный порог рекристаллизации, процесс в первичной стадии может завершиться в течение нескольких секунд.

На второй стадии происходит рост количества новых зёрен. Происходит ещё один процесс так называемая собирательная рекристаллизация. Процесс протекает благодаря внутренней энергии самих зёрен. Зёрна различной величины аккумулируется энергия, которая изменяется по величине. Мелкие зёрна обладают большей поверхностью раздела.

Поэтому на этой поверхности скапливается большая энергия. Увеличение размера зерна приводит к уменьшению площади таких поверхностей, следовательно, к меньшей поверхностной энергии. Вторичная рекристаллизация может стимулироваться при добавлении различных химических соединений.

Например, для ускорения этого процесса применяют дисперсионный сульфид марганца.

При превышении температуры кристаллизации происходит уменьшение размера зёрен. Это вызвано быстрым ростом числа так называемых центров вторичной кристаллизации.При повышенных температурах возникает серьёзная конкуренция между вторичной и собирательной кристаллизацией. Это приводит к укрупнению зёрен и росту времени выдержки.

В этот момент наблюдается эффект предварительной деформации до 10% от исходного состояния. При таком показателе деформация считается критической. Она считается крайне негативной перед процессом последующего обжига. Этот процесс необходим для получения стали с заданными свойствами.

Он проводится при различных температурах в зависимости от состава обрабатываемого материала. Например, для проведения обжига:

  • малоуглеродистых сталей температура должна достигать величины 700 °С;
  • алюминиевых сплавов начинается в интервале от 350 до 450 °С;
  • латуни, бронзы от 560 до 700 °С, эта величина зависит от содержания различных компонентов;
  • сплавов на основе титана начиная с 550 °С до 750 °С.

Отдельно выделяют метадинамическую рекристаллизацию. Она протекает после последовательной горячей пластической деформации. Происходит рост новых зёрен, при динамическом процессе, протекающем между статической рекристаллизацией и динамической. Образуются готовые центры новых кристаллов, которые успеваю полностью сформироваться на этапе постепенного охлаждения металла.

Эти процессы являются очень важными для формирования целостной микроструктуры готовых изделий из металлов или сплавов. Отслеживание этапов рекристаллизации (первичной, собирательной и вторичной) необходимо для получения металлов и сплавов с заданными свойствами. Это приводит к следующим эффектам:

  • повышение прочности «чистых» металлов, однофазных сплавов;
  • получения высокого качества готовой поверхности заготовки, с соблюдением повышенной точности её геометрических размеров;
  • создание металлов или сплавов, обладающих специальными физическими и механическими свойствами;
  • получение заготовок с заранее заданным сечением;
  • устранение в заготовках дефектов литья.

Материалы, внутри которых были образованы мелкие зёрна, обладают повышенной прочностью и вязкостью. Для отдельных видов стали необходимо наоборот имеет крупные зёрна. Таким материалом является трансформаторная сталь или техническое железо. Наличие крупных зёрен придаёт этим металлам высокие магнитные свойства, которые необходимы для их дальнейшего применения.

Источник: https://stankiexpert.ru/spravochnik/materialovedenie/rekristallizaciya.html

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Электропривод